鋼結構新型延性節(jié)點的抗震設計理論及其應用

內(nèi)容概要

《鋼結構新型延性節(jié)點的抗震設計理論及其應用》系統(tǒng)地闡述了作者在鋼結構新型延性節(jié)點的抗震設計理論、計算方法、工程應用方面的創(chuàng)新性科研成果。內(nèi)容主要包括：削弱型節(jié)點的力學性能以及鋼框架結構的內(nèi)力和穩(wěn)定性分析、不同構造形式加強型節(jié)點的抗震性能試驗研究、焊接節(jié)點斷裂特性的有限元分析、加強型節(jié)點鋼框架的抗震性能分析。
《鋼結構新型延性節(jié)點的抗震設計理論及其應用》可供土木工程專業(yè)和工程力學專業(yè)的設計人員、研究人員和高校教師參考，也可作為相關專業(yè)研究生學習用書。

作者簡介

王燕青島理工大學教授，博士生導師，工學博士。兼任國家住房和城鄉(xiāng)建設部高等學校土木工程專業(yè)指導委員會委員，中國鋼結構協(xié)會專家委員會委員，中國建筑金屬結構協(xié)會專家委員會委員，中國鋼結構協(xié)會穩(wěn)定與疲勞協(xié)會常務理事，《工業(yè)建筑》、《鋼結構》雜志編委。享受國務院政府特殊津貼專家，山東省有突出貢獻的中青年專家，榮獲國家級教學名師獎、寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎。
長期從事結構工程學科鋼結構設計理論及其工程應用領域的教學與科研工作，先后主持國家自然科學基金項目、高等學校博士點專項科研基金項目、國家標；隹《鋼結構設計規(guī)范》科研專項基金項目、山東省自然科學基金項目、青島市科技攻關項目、青島市建設科技項目以及橫向重大科技開發(fā)等科研項目40余項。
主持的科研項目先后獲得國家科技進步二等獎1項，山東省科技進步一等獎1項，青島市科技進步二等獎2項、三等獎1項；獲得國家實用新型專利2項：主持的教學研究項目先后獲得國家教學成果二等獎1項，山東省優(yōu)秀教學成果一等獎1項、二等獎2項。出版學術專著2部、主編教材2部、參編國家規(guī)范和行業(yè)標準4部，已培養(yǎng)50余名博士、碩士和博士后研究人員，在國內(nèi)外學術刊物上發(fā)表學術論文150余篇、教學研究論文近20篇。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 傳統(tǒng)鋼結構梁柱連接節(jié)點的類型和震害分析1.2 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節(jié)點的類型和設計原理1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.4 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節(jié)點的應用與發(fā)展第2章 削弱型節(jié)點的力學性能2.1 引言2.2 削弱型節(jié)點力學性能的試驗研究2.3 削弱型節(jié)點靜力荷載作用下的有限元分析2.4 削弱型節(jié)點低周循環(huán)荷載作用下有限元分析2.5 有限元與試驗結果對比2.6 削弱型節(jié)點鋼框架的動力特性第3章 削弱型節(jié)點鋼框架的內(nèi)力和穩(wěn)定性3.1 引言3.2 削弱型節(jié)點鋼框架的內(nèi)力3.3 削弱型節(jié)點鋼框架梁的整體穩(wěn)定3.4 削弱型節(jié)點鋼框架柱的整體穩(wěn)定第4章 擴大型節(jié)點的滯回性能4.1 引言4.2 直接擴翼型節(jié)點的滯回性能試驗4.3 擴大型節(jié)點滯回性能的有限元分析4.4 擴大型節(jié)點損傷退化性能4.5 擴大型節(jié)點斷裂特性第5章 過渡板加強型節(jié)點的滯回性能5.1 引言5.2 過渡板加強型節(jié)點滯回性能試驗研究5.3 過渡板加強型節(jié)點滯回性能的有限元分析第6章 蓋板加強型節(jié)點的滯回性能6.1 引言6.2 蓋板加強型節(jié)點滯回性能的試驗研究6.3 蓋板加強型節(jié)點滯回性能的有限元分析第7章 鋼框架焊接節(jié)點的斷裂性能7.1 引言7.2 焊接節(jié)點脆性斷裂的評估指標7.3 板式加強型節(jié)點的斷裂性能分析7.4 不同構造形式焊接節(jié)點的斷裂性能對比分析第8章 直接擴翼型節(jié)點鋼框架的動力特性和滯回性能8.1 引言8.2 直接擴翼型節(jié)點鋼框架的擬動力試驗8.3 直接擴翼型節(jié)點鋼框架的滯回性能試驗8.4 有限元分析參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章  緒論1.1  傳統(tǒng)鋼結構梁柱連接節(jié)點的類型和震害分析1.1.1  傳統(tǒng)鋼結構梁柱連接節(jié)點的類型鋼結構梁柱結合的部分稱為梁柱節(jié)點或梁柱連接，它在結構中起到重要作用。在正常使用狀態(tài)下，鋼結構梁柱節(jié)點將梁與柱連成整體，使結構能夠有效地承受重力、風載等外部荷載。在強烈地震作用下，梁端和節(jié)點域產(chǎn)生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結構能夠做到大震不倒、小震可修。連接節(jié)點的力學性能還會影響到結構的整體行為，如結構變形、自振周期、地震反應和結構內(nèi)力。根據(jù)受力變形特征，鋼結構梁與柱的連接可以劃分為以下三類。（1）剛性連接。如圖1.1（a）所示，梁柱間無相對轉動，連接可以承受彎矩和剪力。這種連接節(jié)點的彈性剛度大于或等于構件的彈性剛度。習慣上，若連接轉動約束達到理想剛接的90%以上就認為是剛性連接［1］ ，如圖1.2中Ⅰ區(qū)域所示。（2）鉸支連接。如圖1.1（b）所示，梁柱間有相對轉動，連接不能承受彎矩和剪力。該節(jié)點的剛度遠遠小于構件的剛度，在計算時可以認為等于零。通常當梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%時就認為是鉸接［2］ ，如圖1.2中Ⅲ區(qū)域所示。（3）半剛性連接。如圖1.1（c）所示，梁柱間有相對轉動，能承受剪力和一定的彎矩，具有一定的剛度，如圖1.2中Ⅱ區(qū)域所示。圖1.1  鋼框架梁柱連接結構的受力與變形形式為了區(qū)分鋼結構梁柱連接的類型，《歐洲鋼結構設計規(guī)范（EC3）》［3］ 給出量化的分類方法，如圖1.3所示。當梁柱連接的彎矩?轉角關系曲線處于實線（無支撐框架）或?qū)嵕€以左時，為剛性連接；當梁柱連接的彎矩?轉角關系處于虛線以右時，為鉸支連接；介于兩者之間的為半剛性連接。圖1.3  《歐洲鋼結構設計規(guī)范（EC3）》的梁柱連接分類方法鉸支連接構造簡單，但剛度較低，對結構變形不利，適用于次要構件的連接；半剛性連接具有較好的綜合經(jīng)濟指標，但對結構的變形和承載能力有一定影響，適用于單層門式鋼架或低層框架結構的連接；剛性連接剛度大，承載力高，受力性能好，但對節(jié)點加工制作要求較高。對于多、高層建筑鋼結構梁柱連接大多采用剛性連接，傳統(tǒng)梁柱剛性連接的主要構造形式有三種。（1）全焊接節(jié)點［圖1.4（a）］，梁的上下翼緣和腹板均與柱采用焊接連接，翼緣與柱采用全熔透坡口焊，腹板采用角焊縫與柱相連；（2）栓焊混合節(jié)點［圖1.4（b）］，梁的上下翼緣采用全熔透坡口焊，腹板采用高強螺栓與柱相連；（3）全栓接節(jié)點［圖1.4（c）］，梁翼緣和腹板均采用高強螺栓與柱連接。圖1.4  梁柱剛性連接構造形式1.1.2  傳統(tǒng)鋼結構梁柱連接節(jié)點的震害分析圖1.4（b）所示為傳統(tǒng)梁柱栓焊混合剛性連接，這種連接形式在1994年美國北嶺（Northridge）地震和1995年日本阪神（HanshinAwaji）地震之前得到了大量應用，主要應用于多、高層鋼框架建筑結構中。當時普遍認為這種按抗震設計的鋼第1章  緒論框架，在強震作用下節(jié)點能夠基于材料的延性，保證結構產(chǎn)生塑性變形，在梁內(nèi)而不是柱內(nèi)產(chǎn)生塑性鉸，通過塑性區(qū)的形成和轉動耗散地震輸入的能量，使節(jié)點免于破壞，并保證結構的整體性使其免于倒塌，實現(xiàn)“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱桿件”的設計思想。然而，在美國北嶺和日本阪神地震中，這種傳統(tǒng)梁柱剛性連接節(jié)點并沒有表現(xiàn)出人們所期待的延性，而是產(chǎn)生了大量的脆性破壞，導致大量鋼框架出現(xiàn)斷裂和倒塌，造成了巨大的經(jīng)濟損失。圖1.5給出1994年美國北嶺地震震后觀察到的梁柱連接焊縫處的失效模式［4～6］ 。圖1.5  美國北嶺地震中梁柱焊接節(jié)點的失效模式圖1.5（a）的失效模式是一種很普遍的斷裂形式，焊縫與柱翼緣完全脫離開。但許多情況下裂紋并不總沿著焊縫和柱的界面擴展。在很多情況中，斷裂從墊板和柱的交界處開始，然后沿柱翼緣母材擴展，最后撕下一部分柱翼緣母材［圖1.5（c）］，而裂紋如圖1.5（d）所示在柱翼緣中停止擴展的情形更多。圖1.5（e）所示裂紋從焊趾產(chǎn)生并擴展穿透梁翼緣的熱影響區(qū)，這種在試驗研究中常見的情形在北嶺地震中并不多見。其余的連接失效主要發(fā)生在柱截面中，柱翼緣的層狀撕裂［圖1.5（f）］、柱翼緣開裂［圖1.5（g）］，甚至擴展到柱的腹板中［圖1.5（h）］，這種情形較前者更為顯著。柱翼緣的開裂與連接處的翼緣應變狀況有關，進而與截面尺寸、鋼材型號、焊接工藝、焊接質(zhì)量、連接構造細節(jié)和外力有關。也有少數(shù)柱腹板中的裂紋向上擴展至梁上翼緣連接處的情形。1995年日本阪神地震中梁柱焊接節(jié)點斷裂模式如圖1.6所示［6，7］ ，圖中“1”表示翼緣斷裂，“2”和“3”表示熱影響區(qū)斷裂，“4”表示橫隔板斷裂，上述連接發(fā)生破壞時，梁翼緣已有顯著屈服或局部屈曲現(xiàn)象，該現(xiàn)象在美國北嶺地震中沒有出現(xiàn)。另外，對比圖1.5和圖1.6可以看出，兩次地震中梁柱節(jié)點的斷裂模式明顯不同，阪神地震中裂紋主要向梁一側擴展，如圖1.6所示，而北嶺地震中裂紋主要向柱一側擴展，這種差別與梁柱節(jié)點的構造形式有關。圖1.6  日本阪神地震中梁柱焊接節(jié)點的失效模式根據(jù)美國聯(lián)邦突發(fā)事件管理局（FederalEmergencyManagementAgency，F(xiàn)EMA）等研究機構進行的試驗研究表明［8~10］ ，傳統(tǒng)鋼框架梁柱節(jié)點連接引起破壞的主要原因如下。（1）梁柱連接處存在較為嚴重的應力狀態(tài)。圖1.7（a）為地震作用時鋼框架橫梁的彎矩分布，圖1.7（b）、（c）為梯形鋼板模擬在地震力作用下，翼緣板L1段在遠端受一均勻應力場作用的變截面鋼板受均勻外力作用，由于固定端的約束作用產(chǎn)生應力／應變集中現(xiàn)象，塑性應變無法擴散而集中于端部，又因為該處截面最薄弱，所以此處的梁端彎矩和剪力必須通過梁翼緣端部與柱翼緣的連接焊縫和剪切板傳給柱，但這些部位的截面面積和截面模量一般都小于被連接的梁本身，結果使該部位產(chǎn)生很高的應力集中，造成脆性斷裂。圖1.7  鋼框架梁端應力分布（2）梁下翼緣與柱翼緣間的連接焊縫通常都是在現(xiàn)場俯焊，焊工一般騎在梁的上翼緣。在此位置施焊，每一條焊道在梁腹板處都要中斷、中止或重新引弧，這種焊接方式導致該部位的焊縫質(zhì)量很差，含有熔渣、不熔和其他缺陷。當連接受到高應力或有很大變形要求時，這些缺陷成為裂縫的發(fā)源地。（3）連接的基本形式使得工程人員很難對梁翼緣與柱翼緣連接焊縫根部隱藏的缺陷進行檢查。通常焊接襯板在施焊完畢后都留在原處，對焊根的外觀檢查形成障礙。因此，主要檢測方法是進行超聲波探傷，但是節(jié)點的幾何形狀使超聲波探傷很難可靠地查出在梁翼緣焊縫根部的裂縫，特別是在焊縫中部腹板附近的裂縫，形成引發(fā)裂縫的源頭。（4）梁柱連接的典型設計模式是假設梁的彎曲應力全部由翼緣承受，剪力由腹板承受，但實際上由于柱變形出現(xiàn)的邊界條件，梁翼緣在連接處承受了很大一部分梁的剪力。其結果導致梁翼緣不但在柱面處承受很大的彎曲應力，而且在焊縫中產(chǎn)生了很大的次應力。這種效應引起的應力集中對梁柱翼緣間全熔透焊縫焊根部位的承載力提出了很高要求，而該部位常常存在很多熔渣和嚴重的不連接，很容易引發(fā)裂縫。（5）梁翼緣與柱翼緣連接處的鋼材，因受約束而不能運動，當柱翼緣較厚時此情況更為突出，這種約束情況使得該處鋼材不能屈服，在焊縫中引起局部高應力，加劇了焊縫缺陷引發(fā)裂縫的傾向。（6）1985~1994年美國的設計規(guī)定鼓勵在梁柱節(jié)點中采用弱節(jié)點域。在過分弱的節(jié)點域中，組件的非彈性受力性能受節(jié)點域的剪切變形控制。節(jié)點域剪切變形導致梁柱翼緣間連接焊縫附近的柱翼緣出現(xiàn)局部彎折，進一步增加了該敏感區(qū)對應力和應變的需要。（7）在20世紀60年代中期，建筑工業(yè)推廣半自動焊，在現(xiàn)場焊接時采用藥芯焊條，安裝公司通常采用低沖擊韌性的焊條。當焊接速度過快時，會進一步加劇沖擊韌性降低，遺憾的是焊工的施焊速度一般較快，其結果使在帶有較大缺陷的焊縫中的應力接近梁鋼材的屈服強度。（8）早期鋼框架一般設計成冗余度較高的結構，幾乎所有的梁柱連接都成為抗側力體系中的一部分，結果造成構件截面較小。隨著勞動力費用的提高，采用較少的剛性連接可以省工，故梁柱構件做得較大。鋼框架構件對應變能力的要求與構件的跨高比有關，這樣，隨著構件截面增大，連接對脆性受力狀態(tài)更加敏感。（9）20世紀60~70年代，對鋼框架開展了很多初期研究，鋼梁通常采用A36鋼（相當于Q235）。進入80年代，很多鋼廠采用現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝，包括用廢鋼煉鋼，廢鋼中含有很多微合金元素，使得鋼材強度提高。盡管是用A36鋼制作的梁，但其實際屈服強度接近甚至超過50級鋼（相當于Q345）。由于母材屈服強度的提高，梁柱翼緣間的焊縫金屬與母材不匹配，對連接發(fā)生破壞有一定影響。1.2  鋼框架塑性鉸外移新型抗震節(jié)點的類型和設計原理為解決傳統(tǒng)鋼框架梁柱連接節(jié)點焊縫脆性開裂問題，各國學者針對梁柱連接節(jié)點的抗震性能及延性開展了大量的試驗研究。強柱弱梁、節(jié)點更強的試件可以發(fā)揮梁的塑性承載力，形成梁鉸破壞機構，從而具有較大的塑性變形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能［11～21］。解決鋼框架連接抗震性能問題的基本途徑是將塑性鉸外移，通過對鋼梁截面進行削弱或加強，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞。雖然兩種形式的目的相同，但各有特點，前者通過對距梁柱連接處一定距離的梁翼緣或者腹板進行削弱，后者則是對梁翼緣加設過渡板或腋板等構造措施，促使梁端塑性變形在削弱區(qū)或加強區(qū)末端的位置出現(xiàn)并擴展，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免節(jié)點過早出現(xiàn)裂縫發(fā)生脆性破壞，以達到延性設計目的。1.2.1  削弱型節(jié)點削弱型節(jié)點包括梁腹板開孔型、梁腹板切縫型和梁翼緣削弱型（reducedbeamsection，RBS）三種連接形式，如圖1.8所示。圖1.8  梁削弱型連接形式削弱型節(jié)點的設計思想是根據(jù)地震彎矩梯度對節(jié)點附近鋼梁上某一選定區(qū)域進行削弱，使得削弱后區(qū)域的截面抵抗彎矩梯度等于該區(qū)域截面地震彎矩需求梯度。由于塑性鉸總是在結構M／Mu最大截面處首先出現(xiàn)，而削弱區(qū)域各截面的M／Mu值大小相等且比梁上其他截面的M／Mu值大，因此，梁上事先選定的削弱區(qū)域能同時進入塑性狀態(tài)，從而獲得一個放大的塑性區(qū)域，達到塑性鉸外移的設計目的，如圖1.9所示。……

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